Mit der kontinuierlichen Entwicklung von Verbundwerkstoffen sind neben glasfaserverstärkten Kunststoffen auch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, borfaserverstärkte Kunststoffe usw. aufgetaucht.Kohlenstofffaserverstärkte Polymerverbundstoffe (CFK) sind leichte und starke Materialien, die zur Herstellung vieler Produkte verwendet werden, die wir in unserem täglichen Leben verwenden.Mit diesem Begriff werden faserverstärkte Verbundwerkstoffe bezeichnet, bei denen Kohlenstofffasern als Hauptstrukturbestandteil verwendet werden.
Inhaltsverzeichnis:
1. Struktur aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer
2. Die Formmethode von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
3. Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem Polymer
4. Vorteile von CFK
5. Nachteile von CFK
6. Verwendung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
Kohlenstofffaserverstärkte Polymerstruktur
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ist ein Material, das durch die Anordnung von Kohlenstofffasermaterialien in einer bestimmten Richtung und die Verwendung gebundener Polymermaterialien entsteht.Der Durchmesser von Kohlefaser ist mit etwa 7 Mikrometern extrem dünn, aber ihre Festigkeit ist extrem hoch.
Der grundlegendste Bestandteil eines kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffs ist der Kohlenstofffaserfaden.Der Grundrohstoff für Kohlenstofffilamente ist Prepolymer Polyacrylnitril (PAN), Rayon oder Erdölpech.Die Kohlenstofffilamente werden dann durch chemische und mechanische Verfahren zu Kohlenstofffasergeweben für Kohlenstofffaserteile verarbeitet.
Das Bindepolymer ist normalerweise ein duroplastisches Harz wie Epoxidharz.Manchmal werden auch andere Duroplaste oder thermoplastische Polymere verwendet, beispielsweise Polyvinylacetat oder Nylon.Neben Kohlenstofffasern können Verbundwerkstoffe auch Aramid Q, ultrahochmolekulares Polyethylen, Aluminium oder Glasfasern enthalten.Die Eigenschaften des endgültigen Carbonfaserprodukts können auch durch die Art der in die Bindungsmatrix eingebrachten Additive beeinflusst werden.
Die Formmethode für kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff
Kohlefaserprodukte unterscheiden sich hauptsächlich aufgrund unterschiedlicher Prozesse.Es gibt viele Methoden zur Herstellung kohlenstofffaserverstärkter Polymermaterialien.
1. Handauflegemethode
Unterteilt in die Trockenmethode (vorbereitete Werkstatt) und die Nassmethode (Fasergewebe und Harz zur Verwendung verklebt).Das Handlaminieren wird auch zur Vorbereitung von Prepregs für den Einsatz in Sekundärformverfahren wie dem Formpressen verwendet.Bei dieser Methode werden Kohlenstofffasergewebebahnen auf eine Form laminiert, um das Endprodukt zu bilden.Die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des resultierenden Materials werden durch die Auswahl der Ausrichtung und Webart der Stofffasern optimiert.Anschließend wird die Form mit Epoxidharz gefüllt und mit Hitze oder Luft ausgehärtet.Diese Fertigungsmethode wird häufig für nicht beanspruchte Teile, wie zum Beispiel Motorabdeckungen, eingesetzt.
2. Vakuumformverfahren
Für das laminierte Prepreg ist es notwendig, durch einen bestimmten Prozess Druck auszuüben, um es nahe an die Form zu bringen und es bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck auszuhärten und zu formen.Bei der Vakuumbeutelmethode wird das Innere des Formbeutels mithilfe einer Vakuumpumpe evakuiert, sodass der Unterdruck zwischen Beutel und Form einen Druck erzeugt, sodass das Verbundmaterial nahe an der Form liegt.
Auf der Grundlage der Vakuumbeutelmethode wurde später die Vakuumbeutel-Autoklav-Formungsmethode abgeleitet.Autoklaven bieten höhere Drücke und wärmehärten das Teil (anstelle einer natürlichen Aushärtung) als reine Vakuumbeutelmethoden.Ein solches Teil hat eine kompaktere Struktur, eine bessere Oberflächenqualität, kann Luftblasen effektiv beseitigen (Blasen wirken sich stark auf die Festigkeit des Teils aus) und die Gesamtqualität ist höher.Tatsächlich ähnelt der Prozess des Vakuumverpackens dem des Aufklebens von Handyfolie.Die Beseitigung von Luftblasen ist eine große Aufgabe.
3. Formpressverfahren
Formpressenist ein Formverfahren, das der Massenproduktion und Massenproduktion förderlich ist.Formen bestehen normalerweise aus Ober- und Unterteilen, die wir männliche Form und weibliche Form nennen.Der Formprozess besteht darin, die Matte aus Prepregs in die Gegenform aus Metall einzulegen. Unter Einwirkung einer bestimmten Temperatur und eines bestimmten Drucks wird die Matte im Formhohlraum erhitzt und plastifiziert, fließt unter Druck und füllt den Formhohlraum Und Formen und Aushärten, um Produkte zu erhalten.Diese Methode ist jedoch mit höheren Anschaffungskosten verbunden als die vorherigen, da die Form eine sehr hochpräzise CNC-Bearbeitung erfordert.
4. Wickelformen
Bei Teilen mit komplexen Formen oder in Form eines Rotationskörpers kann ein Filamentwickler verwendet werden, um das Teil herzustellen, indem das Filament auf einen Dorn oder Kern gewickelt wird.Nachdem das Aufwickeln abgeschlossen ist, härten Sie es aus und entfernen Sie den Dorn.Mit dieser Methode können beispielsweise rohrförmige Gelenkarme für Aufhängungssysteme hergestellt werden.
5. Harztransferformen
Resin Transfer Moulding (RTM) ist ein relativ beliebtes Formverfahren.Seine grundlegenden Schritte sind:
1. Legen Sie das vorbereitete schlechte Kohlefasergewebe in die Form und schließen Sie die Form.
2. Flüssiges duroplastisches Harz einspritzen, das Verstärkungsmaterial imprägnieren und aushärten.
Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem Polymer
(1) Hohe Festigkeit und gute Elastizität.
Die spezifische Festigkeit (d. h. das Verhältnis von Zugfestigkeit zu Dichte) von Kohlenstofffasern ist sechsmal so hoch wie die von Stahl und 17-mal so hoch wie die von Aluminium.Der spezifische Modul (d. h. das Verhältnis des Elastizitätsmoduls zur Dichte, das ein Zeichen für die Elastizität eines Objekts ist) ist mehr als dreimal so hoch wie der von Stahl oder Aluminium.
Dank seiner hohen spezifischen Festigkeit kann es einer großen Arbeitslast standhalten.Sein maximaler Arbeitsdruck kann 350 kg/cm2 erreichen.Darüber hinaus ist es komprimierbarer und belastbarer als reines F-4 und sein Geflecht.
(2) Gute Ermüdungsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit.
Seine Ermüdungsbeständigkeit ist viel höher als die von Epoxidharz und höher als die von Metallwerkstoffen.Graphitfasern sind selbstschmierend und haben einen kleinen Reibungskoeffizienten.Der Verschleiß ist 5–10 Mal geringer als bei allgemeinen Asbestprodukten oder F-4-Geflechten.
(3) Gute Wärmeleitfähigkeit und Hitzebeständigkeit.
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe haben eine gute Wärmeleitfähigkeit und die durch Reibung entstehende Wärme wird leicht abgeleitet.Der Innenraum ist nicht leicht zu überhitzen und speichert Wärme und kann als dynamisches Dichtungsmaterial verwendet werden.An der Luft kann es im Temperaturbereich von -120 bis 350 °C stabil arbeiten.Durch die Reduzierung des Alkalimetallgehalts in Kohlefasern kann die Betriebstemperatur weiter erhöht werden.In einem Inertgas kann seine anpassungsfähige Temperatur etwa 2000 °C erreichen und es kann starken Kälte- und Hitzeschwankungen standhalten.
(4) Gute Vibrationsfestigkeit.
Es ist nicht leicht, zu resonieren oder zu flattern, und es ist auch ein hervorragendes Material zur Vibrations- und Geräuschreduzierung.
Vorteile von CFK
1. Geringes Gewicht
Herkömmliche glasfaserverstärkte Kunststoffe verwenden Endlosglasfasern und 70 % Glasfasern (Glasgewicht/Gesamtgewicht) und haben typischerweise eine Dichte von 0,065 Pfund pro Kubikzoll.Ein CFK-Verbundwerkstoff mit dem gleichen Fasergewicht von 70 % hat typischerweise eine Dichte von 0,055 Pfund pro Kubikzoll.
2. Hohe Festigkeit
Obwohl kohlenstofffaserverstärkte Polymere leicht sind, weisen CFK-Verbundwerkstoffe eine höhere Festigkeit und Steifigkeit pro Gewichtseinheit auf als Glasfaserverbundwerkstoffe.Im Vergleich zu Metallmaterialien ist dieser Vorteil deutlicher.
Nachteile von CFK
1. Hohe Kosten
Die Produktionskosten von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff sind unerschwinglich.Die Preise für Kohlefasern können je nach den aktuellen Marktbedingungen (Angebot und Nachfrage), der Art der Kohlefaser (Luft- und Raumfahrtqualität vs. kommerzielle Qualität) und der Größe des Faserbündels erheblich variieren.Auf Pfund-für-Pfund-Basis können neue Kohlenstofffasern 5 bis 25 Mal teurer sein als Glasfasern.Dieser Unterschied ist noch größer, wenn man Stahl mit CFK vergleicht.
2. Leitfähigkeit
Dies ist der Vor- und Nachteil von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen.Es kommt auf die Anwendung an.Kohlenstofffasern sind äußerst leitfähig und Glasfasern isolieren.Viele Produkte verwenden Glasfaser anstelle von Kohlefaser oder Metall, da sie eine strenge Isolierung erfordern.Bei der Herstellung von Versorgungsgütern erfordern viele Produkte den Einsatz von Glasfasern.
Verwendung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
Die Anwendungen von kohlenstofffaserverstärktem Polymer sind vielfältig und reichen von mechanischen Teilen bis hin zu militärischen Materialien.
(1)als Dichtungspackung
Kohlenstofffaserverstärktes PTFE-Material kann zu korrosionsbeständigen, verschleißfesten und hochtemperaturbeständigen Dichtungsringen oder Packungen verarbeitet werden.Bei Verwendung zur statischen Abdichtung ist die Lebensdauer länger, mehr als zehnmal länger als die allgemeiner ölgefüllter Asbestdichtungen.Es kann die Dichtungsleistung bei Lastwechseln und schnellem Abkühlen und schnellem Erhitzen aufrechterhalten.Und da das Material keine korrosiven Stoffe enthält, entsteht keine Lochfraßkorrosion am Metall.
(2)als Schleifteile
Aufgrund seiner selbstschmierenden Eigenschaften kann es als Lager, Getriebe und Kolbenring für spezielle Zwecke verwendet werden.Zum Beispiel ölfrei geschmierte Lager für Luftfahrtinstrumente und Tonbandgeräte, ölfrei geschmierte Zahnräder für Diesellokomotiven mit elektrischem Getriebe (um Unfälle durch Öllecks zu vermeiden), ölfrei geschmierte Kolbenringe an Kompressoren usw. Darüber hinaus ist dies möglich kann aufgrund seiner ungiftigen Eigenschaften auch als Gleitlager oder Dichtung in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie eingesetzt werden.
(3) Als Strukturmaterialien für Luft- und Raumfahrt, Luftfahrt und Raketen.Es wurde erstmals im Flugzeugbau eingesetzt, um das Gewicht des Flugzeugs zu reduzieren und die Flugeffizienz zu verbessern.Es wird auch in der Chemie-, Erdöl-, Elektrizitäts-, Maschinen- und anderen Industriezweigen als rotierende oder hin- und hergehende dynamische Dichtung oder als verschiedene statische Dichtungsmaterialien verwendet.
Zhengxi ist ein Profihydraulische Pressenfabrik in China, Bereitstellung hoher Qualitäthydraulische Verbundpressezur Umformung von CFK-Produkten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 25. Mai 2023
